Многоканальное устройство для измерения температуры вращающегося объекта Советский патент 1980 года по МПК G01K13/08 

Изобретение относится к температур ным измерениям и предназначено для многоканального измерения температуры вращающегося объекта с помощью термопар. Известны многоканальные устройства для измерения температуры вращающегося объекта с помощью термопар, сигнал которых передается на неподвижную аппаратуру с помощью бесконтактных токосъемных устройств различного типа Эти устройства включают ряд дополнительных активных преобразователей, расположенных на вращающемся объекте (источники питания, усилители, модуляторы, коммутаторы и т.п.), с помощью которых производится преобразование частотного спектра передаваемого сигнала. Преобразованный на вращающемся объекте сигнал передается затем с помощью бесконтактных токосъе ных устройств - емкостных и индуктивных токосъемников или по оптическому и радиоканалам связи, на неподвижную измерительную аппаратуру, где произБО дится его обработка 1. Указанные устройства при использовании полупроводниковых коммутаторов позволяют реализовать передачу измерительной информации от значительног числа термопар через один токосъемный узел. Однако точность измерения температуры с помощью подобных устройств сравнительно невелика. Это вызвано тем, что к погрешности узла передачи переменного сигнала на неподвижную аппаратуру и погрешностям, вносимым неподвижной измерительной аппаратурой, дополнительно прибавляются погрешности, BHOcHNbie активными дополнительными преобразователями, расположенными на вращающемся объекте, при преобразовании постоянного сигнала термопары в переменный сигнал. Известны также многоканальные устройства для измерения температуры вращающегося объекта с помощью термопар, не имеющие активных дополнительных преобразователей на вращающемся объекте. В этих устройствах передача постоянного сигнала термопары на неподвижную аппаратуру осуществляется с помощью токосъемных устройств,.включакицих гальваномагнитныб элементы, например магниторезисторы, датчики Холла магнитодиоды и т.п. Это позволяет несколько повысить точность измерения 2 и 3 . Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения температуры, которое может входить в состав многоканального устройства для измерения температуры вращающегося объекта, содержащее термопару, расположенную на вращающемся объекте, индуктивный токосъемник, включающий в себя неподвиж но расположенные.измерительную обмотку и модуляционную обмотку, соединенную с генератором переменного тока, вращающуюся обмотку, соединенную с те мопарой, регистратор 4. Недостатком устройства является то что при колебании температуры окружающей среды меняются параметры индук тивного токосъемника, что ведет к снижению точности измерения. Цель изобретения - повышение точно ности измерения температуры вращающегося объекта путем исключения влияния изменений параметров индуктивного токосъемника. Поставленная цель достигается тем что. в многоканальное устройство для измерения температуры вращающегося объекта, каждый канал которого содержит термопару, расположенную на вращающемся объекте, индуктивный токосъе ник, включающий в себя неподвижно расположенные измерительную обмотку и обмотку, соединенную с генератором переменного тока, вращающуюся обмотку соединенную с термопарой, регистратор введены согласующий блок, выход которого через режекториый фильтр соединен со входом управляемого усилителя последовательно соединенные фильтр низких частот, полосовой фильтр удво енной частоты модуляции, выпрямитель и интегратор, последовательно соединенные фильтр верхних частот, полосо вой фильтр подстроечной частоты, демодулятор и второй интегратор, вра щающийся трансформатор, с числом вра щающихся обмоток равным числу канало устройства, каждая из которых включена последовательно с термопарой и вращающейся обмоткой индуктивного токосъемника, генератор сигнала подстройки, соединенный с неподвижной обмоткой вращающегося трансформатора причем выход измерительной обмотки соединен со входом согласующего блок выходы управляемого.усилителя соединены соответственно со входами фильт ров верхних и низких частот, а выходы первого и второго интегратора сое динены соответственно со входом реги ратора и управляющим входом усилител На чертеже приведена схема многоканального устройства для измерения температуры вращающегося объекта. Устройство содержит индуктивные (магнитомодуляционные) токосъемники число которых равно числу кангшов измерения температуры вращающегося объекта, вращающийся трансформатор 2 для передачи сигнала подстройки, индуктивный токосъемник 3 для контроля температуры холодного спая термопары. Каждый индуктивный токосъемник 1 состоит из магнитопровода 4, вращающейся обмотки 5, неподвижной измерительной обмотки б и обмотки 7, соединенной с генератором переменного тока (модуляционной обмотки). Вращающийся трансформатор 2 включает в себя магнитопровод 8, неподвижную обмотку 9 и ряд вращающихся идентичных обмоток 10, число которых равно числу каналов устройства. Вращающиеся обмотки 10 могут выполняться скрученным проводом, число жил в котором равно числу каналов устройства. Индуктивный токосъемник 3 состоит из магнитопровода 11, неподвижной обмотки 12 и вращающейся обмотки 13. Все токосъемники конструктивно могут выполняться на одном валу и разделяться друг от друга немагнитными прокладками, или в виде отдельных блоков, валы которых механически соединяются между собой муфтами . На вращающемся объекте расположены термопары 14, число которых равно числу каналов, терморезистор 15 и дополнительные резисторы 16, которые обеспечивают определенный режим работы термопар 14, например режим заданного тока, в случае, если активное сопротивление вращающихся обмоток 5 и 10 и соединительных проводов мало. Терморезистор 15 располагается непосредственно на холодном спае одной из термопар 14 и его сопротивление однозначно соответствует его температуре.. Терморезистор 15 может выполняться в виде проволоки из меди или платины, намотанной непосредственно на холодный спай термопары 14. При небольших температурах холодного спая термопары 14 возможно использование стандартных полупроводниковых терморезисторов. Неподвижная обмотка 9 трансформатора 2 соединена с генератором 17 сигнала подстройки,который представляет собой генератор переменного напряжения стабильной частоты (около 2-3 кГц) и стабильной амплитуды определенной величины не влияющей на магнитное состояние магнитопроводов индуктивного токосъемника. Неподвийсная обмотка 12 индуктивного токосъемника 3 соединена с блоком 18 измерения температуры холодного спая термопары. Аппаратура обработки измерительного сигнала, одинаковая для каждого канала (на чертеже показан только один канал), включает в себя генератор 19 переменного тока стабильной частоты модуляции и амплитуды тока, согласующий блок 20, режекторный фильтр 21, настроенный на частоту тока модуляции (подавляющий выходной сигнёш, частота которого равна частоте модуляции), управляемый усилитель 22, фильтр 23 верхних частот полоса пропускания которого начинается с час тотыу в несколько раз превышающей частоту тока модуляции, полосовой фильтр 24, настроенный на частоту сиг нала подстройки, усиливающий и выделяющий сигнал подстройки,демодулятор 25,выделяющий огибающую сигнала подстройки, интегратор 26, выход которого соединен с управляющим входом усилите ля 22,фильтр 27 низких частот,настрое ный таким образом,что он не пропускае гармоники с частотой,превышающей удво енную частоту модуляции приблизительно в 2,2 - 2,5 раза, полосовой фильтр 28, настроенный на удвоенную частоту модуляции, выпрямитель 29, интегратор 30, выход которого соединен с регистратором 31, например цифровым прибором. Устройство работает следующим образом, (Рассматривается работа одного канала), При отсутствии разницы температур между рабочим и холодным спаями вращающейся термопары 14 ЭДС термопары равна нулю. Сигнал подстройки генератора 17 передается с помощью вращающегося трансформатора 2 в цепь термопары. При этом в неподвижной измерительной обмотке б индуктивного токосъемника 1 наводится напряжение, состоящее из гармоники сигнала подстройки и четных и нечетных гармоник тока модуляции источника 19, Этот сиг нал поступает через согласующий блок 20 на вход режекторного фильтра 21, который подавляет первую гармонику, тока модуляции источника 19 и пропускает без изменения все остальные гармоники. Напряжение с выхода режекторного фильтра подается на вход управляемого усилителя 22 и далее на входы фильтров 23 и 27, Фильтр 27 низких частот, полосовой фильтр 28 пропускают только вторую гармонику тока модуляции источника 19, которая выпрямляется выпрямителем 29 и поступает на вход интегратора 30, Перед началом измерений (эращаю.щийся объект холодный) при включенном источнике 19 модулирующего тока у интегратора 30 выходное напряжение устанавливается равным нулю. Поэтому вторая гармоника тока модуляции, появляющаяся в выходной измерительной обмотке б из-за нелинейных свойств ферромагнитного материала магнитопровода индуктивного токосъемника 1, наличия четных гармоник в составе модулирующего тока ис- точника 19 и других причин, не проходит к регистратору 31. Одновременно фильтр 23 верхних частот, полосовой фильтр 24, демодулятор 25 и интеграто 26 выделяют модулированный по амплитуде сигнал подстройки и преобразуют его в сигнал управления коэффициентом усиления управляемого усилителя 22. С помощью терморезистора 15, индуктивного токосъемника 3 и блока 18 про изводится непрерывное измерение температуры холодного спая одной из термопар 14, Поскольку все холодные спаи термопар 14 при вращении объекта проходят одни и те же участки пространства, то температура их практически одинакова. Это позволяет контролировать температуру холодных спаев всех термопар по значению температуры одного из холодных спаев. При появлении разницы температур между рабочим и холодным спаями термопар 14 по вращающим цепям, включающим термопары 14, вращающиеся обмотки 5 и 10, начинает протекать постоянный ток, однозначно соответствующий величине ЭДС, развиваемой каждой термопарой 14. Наличие постоянной составляющей тока во вращающихся обмотках 5 индуктивных токосъемников 1 приводит к изменению уровня второй гармоники тока модуляции источника 19 в неподвижных обмотках б индуктивных токосъемников 1, которая несет в себе информацию о величине постоянного тока, протекающего во вращающихся обмотках 5, пропорционального величине ЭДС, развиваемых термопарами 14. Сигнал с измерительной обмотки б поступает через согласующий блок 20 на вход режекторного фильтра 21, который подавляет первую гармонику тока модуляции,- и далее на вход усилителя 22. Фильтр 27 низких частот и полосовой фильтр 28 выделяют сигнал второй гармоники тока модуляции источника 19, несущий информацию о температуре вращающегося объекта. После выпрямления выпрямителем: 29 и сглаживания интегратором 30 сигнал, пропорциональный температуре вращающегося объекта в месте размещения термопары 14, регистрируется регистратором 31. Фильтр 23 верхних частот и полосовой фильтр 24 выделяют модулированный по амплитуде сигнал подстройки, огибаю-4ая которого после демодулятора 25 и интегратора 26 подается на управляющий вход управляемого усилителя 22, При изменениях коэффициентов преобразования вращающегося трансформатора 2 или индуктивного токосъемника 1, при изменении температуры, вызывающем изменение магнитных свойств магнитопровода и активных сопротивлений обмоток, или из-за старения магнитных материалов магнитопроводов токосъемников с течением времени происходит соответствующее изменение уровня огибающей сигнала подстройки на выходе интегратора 26 каждого канала измерения. Эти изменения с обратным знаком подаются на управляющий вход управляемых усилителей 22, изменяя, их коэффициент усиления таким образом, чтобы полный коэффициент передачи тракта, включающего индуктивный токосъемник 1, линию связи, согласующее устройство 20, режекторный фильт 21 и управляемый усилитель 22 мощности, оставался постоянным. Тем самым образуется замкнутая компенсационная схема, поддерживающая коэффициент передачи этого тракта постоянным независимо от температурных и врменных изменений коэффициентов преобразования индуктивных токосъемников 1. Погрешности преобразования, вносимые фильтром 27 низких частот, полосовым фильтром 28, выпрямителем 29 и интегратором 30 каждого канала, которые работают в узких пределах изменения температуры окружающей среды в нормальных условиях, пренебрежимо малы и практически не влияют на точность измерения температуры врщающегося объекта.

Окончательное определение температуры вращающегося объекта производится с учетом значения температуры холодных спаев термопар 14, определяемых с помощью терморезистора 15, индуктивного токосъемника 3 и блока 18. При необходимости, например упрощении неподвижной аппаратуры, выходной сигнал может сниматься на дру гой частоте, например на основной частоте тока модуляции источника 19 или на третьей и других гармониках, которые при определенных режимах работы могут нести информацию о вели чине постоянного тока во вращающихся обмотках индуктивных токосъемников, т.е. о величине температуры объекта в месте расположения термопар. В этом случае режекторные фильтры 21, фильтры 27 низких частот и полосовые фильтры 28 настраивают на соответствующую частоту среза и пропускания согласно выбранной частоте выделения измерительных сигналов.

С точки зрения повышения стабильности уровня выходного сигнала токосъемников предпочтительнее выход на второй гармонике тока модуляции. источника 19.

Предлагаемое устройство уменьшает погрешности измерения температуры вращающегося объекта, которые вносились бы в результат измерения из-за изменений коэфф|1циента преобразования индуктивного токосъемника при из менении температуры или из-за старен материала магнитопровода токосъемника с течением времени, при этом появляется возможность првысить рабочую температуру токосъемника до 300- , т.е. до температур, соизмеримых с температурой Кюри материала магнитопровода токосъемников, так ка изменение свойств материалов магнитопровода с изменением температуры компенсируется электронной частью устройства и не влияет на результат измерения температуры, а также снижаются требования к точности выполнения индуктивных токосъемников устройства.

Формула изобретения

Многоканальное устройство для измерения температуры вращающегося объекта, каждый канал которого содержит термопару, расположенную на вращающемся объекте, индуктивный токосъемник, включающий в себя неподвижно расположенные измерительную обмотку и обмотку, соединенную с генератором переменного тока, вращающуюся обмотку, соединенную с термопарой, регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры, в него введены согласующий блок, выход которого через, режекторный фильтр соединен со входом управляемого усилителя, последо ательно соединенные фильтр низких 4acTijT, полосовой фильтр удвоенной частоты модуляции, выпрямитель и интегратор, последовательно соединенные фильтр верхнихчастот, полосовой фильтр подстроечной частоты, демодулятор и второй интегратор, вращающийся трансформатор, с числом вращающихся обмоток равным числу каналов устройства, каждая из которых включена последовательно с термопарой и вращающейся обмоткой индуктивного токосъемника, генератор сигнала подстройки, соединенный с неподвижной обмоткой вращающегося трансформатора, причем выход измерительной обмотки соединен со входом согласующего блока, выходы управляемого усилителя соединены соответственно со входами фильтров верхних и низких частот, а выходы первого и второго интегратора соединены соответственно со входом регистратора и управляющим входом усилителя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Самбурский А. И. и Новик В. К. Бесконтактные измерения параметров вращающихся объектов. М., Машиностроение, 1976, с. 13-77.

2.Авторское свидетельство СССР

505909, кл. G 01 К 13/08, 24.12.73

3.Авторское свидетельство СССР

530202, кл. G 01 К 13/08, 19.02.74

4.Авторское свидетельство СССР

№ 347596,кл. G 01 К 13/08, 20.04.70 (прототип).